多场耦合条件下微纳尺度结构材料的变形特性与机理研究

The past decades has witnessed a remarkable progress in nano science and technology. Correspondingly, numerous technologies with promising potential application background in fields like electronics, energy, health and environment etc. have been proposed. One typical example is nanogenerator. The common characteristics of these technologies are that their basic units have to serve both functionally and structurally and their physical dimensions are in the range of macronano scale (10nm to 10μm). Consequently, in order to design, optimize and improve the reliability of nano technologies based devices, it is paramount to study the deformation characteristics and mechanisms of micronano scaled materials that are subjected to multi field effects. In this proposal, we plan to choose typical metals and semiconductors as our research objects. A series of micronano scaled samples will be fabricated through "top-down" routes or synthesized by "bottom-up" methods. These samples will then be studied systematically by using combinations of in situ TEM deformation techniques with heating, electrical measurement or even gas environment. Based on the thorough analysis of our experimental results as well as those achieved by other research groups, combined with computer simulations, such as molecular dynamics (MD), discrete dislocation dynamics (DDD) and finite element analysis, we will try to build up the knowledge system and theoretical model when micronano scaled structural materials are subjected to multi-fields effects. Our research is expected to provide solid experimental base and theoretical guidance for the industrialization and optimization of micronano scaled structural materials.

过去的几十年间见证了纳米科技的蓬勃发展,同时也提出了很多极富应用前景的新技术概念,如纳米发电机等。它们的共同特点是其基本构成单元既是功能构件，也是结构构件，而且其几何尺寸在微纳尺度（10nm-10μm）范围内。因此, 系统、定量地研究多场耦合条件下微纳尺度结构材料的变形特性和相关机理对纳米器件的设计、优化及可靠使用至关重要。但是由于技术条件的限制，该领域的研究目前尚处在起步阶段。本研究拟选取微纳尺度的典型金属基结构材料为研究对象，以原位，定量的透射电镜变形技术为主要手段，系统地研究这些样品在热，电以及微量气氛条件下的变形特性及内在机制。在充分分析实验结果的基础上，结合分子动力学，有限元计算等计算机模拟手段以及本领域其它研究组的研究成果，力求系统、定量地建立起微纳尺度材料在多场耦合条件下的知识体系和理论模型，最终为微纳尺度材料的工业化应用和优化奠定坚实的实验基础并提供方法论的指导。

功能器件日益小型化的社会需求以及纳米科技的蓬勃发展，要求我们在前所未有的小尺度上来研究材料的结构和性能，而研究多场耦合（如热、电、力以及微量气氛）条件下微纳尺度材料的变形特性及内在机制对微纳米器件的设计、优化及可靠使用至关重要。自2013年立项以来，项目团队获得一系列成果，代表性研究进展包括：.1、进行氢对金属中位错行为及（常温及高温）界面失效机理影响的原位定量研究，揭示氢致界面失效和氢脆机理，对于研发和制备（高温）抗氢损伤材料等具有重要意义。（自然材料，2015；自然通讯，2016&2017等）.2、有关纳米尺度功能材料的研究，提出晶体硅力致非晶化新机制；发现可大幅调控微纳尺度氧化锌形貌与性能新的方法；为纳米尺度功能材料在半导体工业、压电器件和传感器等方面的应用提供可行性指导。（纳米快报，2015；Small, 2016和自然亚洲材料，2016等）.3、系统研究立方结构、金属玻璃和密排六方等典型金属材料的力学特性及潜在机理.a)立方结构金属：在共格孪晶界研究上取得新进展；发明“力致修复”及“力致诊断”的新方法；提出了评价微纳尺度材料流变行为的新参数；系统研究微纳尺度单晶铁的应变速率敏感性及其理论强度。（自然通讯，2017； 美国科学院院刊，2015；先进材料，2015等）.b)金属玻璃：系统测定微纳尺度金属玻璃材料性能与试样尺寸之半定量甚至定量的关系，描绘出微纳尺度金属玻璃的尺度、强度及变形特性图；在国际上首次原位定量地揭示了典型金属玻璃在循环载荷作用下结构演化及裂纹萌生和扩展机理，为金属玻璃在微纳电子机械系统中的应用提供了坚实的实验基础和理论指导。（美国科学院院刊，2013；材料研究快报，2015等）.c)密排六方金属：首次在实验上发现并确认镁和镁合金中存在一种新的室温变形机制，该发现对镁合金的设计和应用具有重要指导意义。（自然通讯，2014等）.4、基于本项目所开发的微纳表征测试技术，对雾霾颗粒的成分，形貌和力学性能进行了系统定量的测试：发现相当比例灰霾颗粒的强度足以使大多数工业合金产生摩擦磨损并可能影响到工业设备尤其是高精设备的寿命，填补了灰霾颗粒力学性质研究的空白，对于灰霾危害的防治具有重要的指导意义。《中国科学：技术科学》英文版，2015